“利奇马”台风的特点及极端强降水的成因分析

2020-11-09项素清周梅徐亚钦杜金杉

海洋预报 2020年5期

项素清，周梅，徐亚钦，杜金杉

（1.浙江省金华市气象局，浙江金华321000；2. 浙江省磐安县气象局，浙江磐安322300）

1 引言

我国每年平均有7～8 个台风登陆。登陆台风往往引发暴雨[1]，从而导致城乡积涝、山体滑坡和小流域山洪等灾害的发生。气象学家和预报员对台风暴雨进行了大量的分析和研究[2]:如台风近海打转[3]和后期强度突变的原因[4-5]、台风螺旋带和眼壁上有中尺度对流体[5-7]等。台风和中纬度系统相互作用，使暴雨增强或产生远距离暴雨[8]；多数台风登陆右半圆内的暴雨范围和强度明显大于左半圆区。台风登陆后强度往往减弱较快，降水也随之减弱，但由于地形的抬升以及地表的拖曳效应会导致降水在一定时间内得到增强。台风与地形和中纬度系统作用，还会激发中小尺度系统，从而影响降水的强度和分布[9-10]。孙密娜等[11]对两次北上影响黄渤海的台风过程的对比研究表明，两者北上时与中纬度的高空槽云系结合，锋生显著，降水范围增大。近十余年来，随着观测资料精度的提高和数值模式的发展，地形对降水影响的数值模拟研究得到进一步的发展。朱红芳等[12]对1211 号台风“海葵”引发的安徽强降水过程进行数值模拟，发现大别山区和皖南山区的地形对“海葵”的移动路径和强度、降水分布和强度均有不同程度的影响；不同地形高度下模拟的台风路径及降水分布差异较大，降水中心强度与地形高度相关性较好，地形对暴雨增幅作用明显。王晓芳等[13]对2006 年第4 号强热带风暴“碧利斯”登陆后造成内陆暴雨，特别是湘东南特大暴雨的成因进行了分析。结果表明，独立存在于湘东南的尺度较小而强度特大的NNE-SSW 向的暴雨带与罗宵山脉的地形影响有密切关系：地形强迫上升及其对暴雨的触发主要不在山坡上，而是在迎风坡气流上游平原地区（即湘东南）。黄奕武等[14]对0716号台风“罗莎”登陆期间地形对降水的影响作了分析，发现强降水区主要分布在沿海山体的迎风坡上。分析1 h 降水量在不同强度区间的频次分布，发现在山体地形的影响下，山脉区域降水加强。用再分析资料和地形资料计算了气流过沿海山体时的无量纲数Fr值。由于气流Fr较小，气流过浙江沿海地形时更容易翻越山体。抬升位置发生在迎风坡上，因而强降水区也落在迎风坡上。吴启树等[15]开展了地形敏感性试验，结果说明福建东部沿海的特殊地形对登陆福建中部沿海的台风暴雨有明显的增强作用，最大增幅发生在山脉迎风坡的地形坡度与气流正交速度乘积最大的时段。

2 概况

2019年第9号台风“利奇马”（1909号）于8月4日14时（北京时，下同）在西北太平洋洋面上生成，生成后朝西北方向移动；7日05时加强为台风、17时加强为强台风、23 时加强为超强台风；8 日21 时中心风速17级（62 m/s），中心最低气压915 hPa，达到最强，登陆前一直维持超强台风强度。10 日01 时45 分在温岭市城南镇登陆，登陆时中心附近最大风力16级（52 m/s），中心最低气压930 hPa；登陆后向北偏西方向移动，03时减弱为强台风，05时减弱为台风，09时减弱为强热带风暴；台风先后穿过台州、金华、绍兴、杭州、湖州等地，于10 日22 时离开浙江省进入江苏省，其中9——12时穿过金华东部地区（磐安、东阳）。

受“利奇马”影响，浙江省普降暴雨，沿海地区出现大暴雨甚至局部特大暴雨，局地出现极端降水。8月8日08时——11日08时全省平均面雨量165 mm。各地市平均面雨量前3 位分别为台州市291 mm、宁波市276 mm、湖州市209 mm。全省有40 个站点超过500 mm，最大过程雨量临海括苍山831 mm，在登陆浙江省台风中位列第二。金华市平均面雨量128.7 mm，除磐安252.8 mm 外，其他县市面雨量在80～150 mm之间，呈东多西少分布。单站过程雨量最大为磐安岭干397.9 mm，其中婺城区北山336.4 mm。

据浙江省防汛指挥部统计，超强台风“利奇马” 致浙江省667.9万余人受灾，因灾死亡46人，因灾失踪2 人，紧急转移安置126 万人；农作物受灾面积2.34×105km2，绝收约2.3×104km2，因灾倒损房屋4.1 万间，直接经济损失242.6 亿余元。金华市直接经济损失约6.08 亿元，所幸无人员因灾伤亡。本文通过分析自动气象站、雷达、卫星等常规资料和美国国家环境预报中心（National Centers for Environmental Prediction，NECP）的1°×1°再分析资料，对“利奇马”的强度变化和移动路径进行分析。特别是对造成极端强降水的原因进行分析，重点研究地形的作用。

3 “利奇马”台风分析

3.1 强度分析

图1 “利奇马”移动路径和浙江省累积雨量

“利奇马”8月4日在菲律宾以东洋面上生成时，东侧有一个热带云团，6日发展成10号台风“罗莎”；南海也有一个热带云团；日本南部为台风“范斯高”，副高脊线在35°N以北。“利奇马”在广阔的热带洋面上发展，在其西北方向移动的路径上，海水温度都在29 ℃以上（见图2a）；特别是在台湾东南侧经过温度高达30 ℃以上的太平洋黑潮暖流，能量充足。“利奇马”南侧和西南季风主通道相连，东边的副高有一支偏东急流绕过“罗莎”为它输送水汽和能量，两支气流为台风提供源源不断的水汽供应。8 月7 日08 时台风上空300～850 hPa 的垂直风切变为5～8 m/s（见图3a），大小适合，有利于台风强度加强；同时200 hPa 副热带急流为“利奇马”打通了高空辐散，所以“利奇马”强度快速增强，8 月7 日完成三级跳，由台风加强为超强台风。7 日20 时卫星云图上（图略），台风中心密闭云区云系浓密紧致，小而清晰的台风眼已经生成，南侧是长长的螺旋云带，台风云系范围庞大，环流广阔。从8 日19 时25分卫星云图上可以看到（见图2b），台风眼小而深邃，西南季风云带仍源源不断地为它输送水汽。9日进入东海后，其南侧和季风云系仍未断开，西南暖湿气流仍在供应水汽和能量。东海的表层海温在28 ℃左右，但垂直切变有所增大（见图3b），所以台风强度略有减弱，登陆时中心风力为16级。“利奇马”登陆后，虽然南侧和季风云系断开，但在它的东北侧还有一支东南风急流将海上的水汽向大陆输送，所以登陆后仍能长时间维持台风强度不变。“利奇马”从生成到登陆只有5～6 d 时间，正好处在它的青壮年时期，因此强度特别强。

图3 300～850 hPa垂直风切变图

3.2 路径分析

台风的移动路径直接关系着降水的落区和强度。纵观“利奇马”台风的路径，开始路径偏东，登陆点位置偏北，对浙江中西部影响较小；后来随着路径西调，影响程度明显加大。“利奇马”生成初期，由于海上多个热带系统共存，副高位置偏东偏北，引导气流弱，主要靠内力作用向西北方向移动。8月6 日08 时500 hPa 上西太平洋副高主体592 线在140°E 以东，台风“范斯高”已经在日本西部登陆，强度迅速减弱，河套附近有高空槽缓慢东移；7日08时“范斯高”已经消失（见图4），副高588 线西伸加强，高空槽东移北缩；8日08时副高进一步西伸，脊线呈东西向分布，高空槽已移到渤海湾，其后的西风带高压脊将并入副高，使带状副高坝稳定维持。“利奇马”在副高西南侧东南气流引导下稳定地朝西北方向移动。其东侧的热带云团于8 月6 日下午发展成台风“罗莎”，两者中心相距1 300 km 以上，直接作用较小，但“罗莎”的存在阻挡了副高往南伸，减小了“利奇马”向北的分量。“利奇马”西侧的南海热带低压与其相距1 000 km 以内，在藤原效应的作用下，对其有向西向北的作用力。9日08时副高西伸脊点位于125°E 附近，相比前一天更偏西，所以“利奇马”稳定朝西北方向移动直至登陆浙江台州。由于中高纬西风带活跃，河套以西又有高空槽东移，导致副高脊不能大尺度西伸，所以台风登陆后继续朝偏北方向移动，在华东沿海地区北上，无法深入内陆。由于高空槽位置偏北，“利奇马”对浙江的影响主要是本体降水，到山东一带才和高空槽结合产生强降水。

图4 不同日期08时500 hPa高空图

4 极端强降水成因分析

4.1 “利奇马”台风引起的强降水分析

由于引导气流不强，“利奇马”移动速度较慢。登陆前后移速都在15 km/h 左右，登陆后滞留浙江省长达20 h，其中超强台风强度维持1 h，强台风强度维持2 h，台风强度维持4 h。浙江8 日白天开始受“利奇马”外围环流影响，以对流降水为主。8 日夜里受台风螺旋雨带影响，台州地区降水开始明显，部分地区出现暴雨。9 日上午降水主要集中在浙江东部沿海地区；9 日下午磐安和东阳东部受螺旋云带影响，降水开始明显；夜里金华全市降水变大，特别是磐安等东部地区离台风中心近，先后受台风螺旋云带和密蔽云区影响，产生低质心暖云降水，降水强度非常可观。从8 月10 日01 时30 分浙江省雷达拼图和卫星云图可以看到（见图5），“利奇马”登陆时结构完整、云系范围广，密蔽云区和螺旋云带上有中尺度对流活动，台风眼虽然已经被云覆盖，但强度依然非常强，台风本体云系覆盖浙江全省。10 日02 时850 hPa 水汽通量图表明（图略），浙江省大部地区都处在水汽通量大值区域，辐合中心位于浙江东部，中心值达-220 g/（hPa·cm2·s），说明水汽辐合非常强。9日夜里——10日早晨是浙江省降水最集中的时段，10 日白天随着台风北移，强降水中心逐渐北移。

4.2 台风后部局地极端强降水分析

虽然都被“利奇马”台风本体云系覆盖，但各地的降水分布并不均匀（见图6），极端降水往往出现在山区。本次降水量最大的括苍山站总雨量达834.3 mm（海拔高度为1 382 m），而离它最近的羊棚头村站降水量只有215.7 mm（海拔高度只有142 m），两者降水量相差非常悬殊。浙江东部的山脉从雁荡山、括苍山到四明山均呈东北-西南走向。根据括苍山站的逐时降水量分布来看（见图6a），降水主要集中在8 月9 日09 时——10 日14 时之间，其中8月9日20时——10日07时小时雨强都在40 mm/h左右；从站点的气压变化来看，10 日04——05 时气压最低，也就是离台风中心最近，10 日05——06 时受台风云墙影响，小时雨强达80 mm/h，降水强度非常大。随着台风北移，气压上升，08 时以后降水显著减弱。究其原因，登陆前台风中心位于其南侧，受偏东气流影响，而偏东气流和山脉走向近于垂直，抬升作用非常显著，从而使降水强度加强。浙江西北部山区也是一个暴雨多发点，天目山呈东北西南分布，山体对气流的抬升作用导致迎风坡降水增幅明显，如安吉天荒坪海拔725 m，累积降水量达629.2 mm。

图5 8月10日浙江省雷达拼图和卫星云图

图6 8月8日20时——10日20时逐时资料

金华地处金衢盆地东段，地势南北高、中部低。市区境内东部和东北部有大盘山和会稽山，南属仙霞岭，西北接龙门山及千里岗山脉。山地内侧散布起伏相对和缓的丘陵，整个大盆地大致呈东北-西南走向，西面开口。金华北山（见图7a箭头所示）位于金华市区北侧，主峰海拔1 300 m 以上，最高峰大盘山为1 314 m，面积约2.5 km2，山体走向为东北-西南。金华北山自动气象站海拔1 191 m，过程累积降水量达336.4 mm。降水主要出现在8月9日12时——10 日22 时，强降水集中在10 日13——19 时，6 h 累积雨量196.4 mm，小时雨量20～40 mm/h，其中15 时雨强最大，达45.2 mm/h。强降水引发局地山洪爆发，一度造成险情。10日11时“利奇马”中心已过金华同纬度。从卫星云团上看（图略），台风云系主要集中在台风北侧倒槽里，南侧云系明显弱；下午台风中心移至杭州、湖州市，随着台风中心逐渐远离，金华全区降水减弱；北山站降水反而增大，实属意料之外，预报难度极大，因此有必要对其进行详细分析。此次强降水局地性非常强，同一时段北山降水量196.4 mm、双龙84.2 mm、罗店18.3 mm、金华站仅为9.7 mm，降水量级相差极大（见表1）。而金华站到北山站直线距离不过6.6 km，海拔相差1 000 m以上，说明地形起了非常关键的作用。

4.2.1 雷达和卫星云图资料分析

从卫星云图上看（图略），10 日下午台风中心移至杭州、湖州市，台风云系主要集中在台风北侧倒槽里，南侧云系明显减弱。从金华雷达风廓线上看（见图7b），10 日上午金华北山上空为东北风，随着台风北上，中午开始风向转为偏北风，下午进一步逆转为西北风。低层1.5 km高度西北风风速达16～20 m/s，达到低空急流的标准，高层风速14 m/s 左右。14 时30 分浙江省雷达拼图上，台风中心空心化，回波很弱，最强的螺旋雨带位于上海至江苏南部。浙江省内较强的回波主要位于浙西北山区和杭州湾一带，其他地区雷达回波都较弱，强度一般只有20～25 dBz。在金华北山有一块30～45 dBz的回波，该回波范围非常小，依据外推雨最多持续1h，但实际上10 日11 时以后北山的小块回波一直维持到20时，21时回波才减弱消散，降水停止（见图8）。由于回波正好位于金华雷达站的位置，探测强度有可能比实际偏小。

4.2.2 水汽和能量条件

图7 浙江省地形图与金华雷达风廓线图

表1 金华北山附近站点情况对比

从8月10日08时水汽通量图来看（见图9a），有一支西南气流水汽输送带经过台风东北侧卷入台风内部，水汽通量大值中心位于浙江中北部，金华上空有一个水汽辐合中心，中心值-260 g/（hPa·cm2·s）。14时水汽通量图上（见图9b），浙江上空水汽通量明显减小，但金华和嘉兴北部各有一个大值区，金华附近有一个水汽通量辐合中心，中心值-140 g/（hPa·cm2·s）。这说明水汽还是相对充沛的。10 日14 时K 指数图上（见图10a），浙江西北部有一个40 ℃的大值中心。从金华探空看，金华站高空为一致的西北气流控制，K 指数达41 ℃，对流有效位能（Convective Available Potential Energy，CAPE）为1 189 J/kg，抬升指数（Lifting Index，LI）为-4。10 日14 时假相当位温垂直剖面图上（见图10b），台风附近仍是暖心结构，在29°N 附近有一个大值中心，中心值达364 K，说明水汽和不稳定能量都很好。

4.2.3 地形作用及动力机制

当水汽和能量条件具备时，动力和抬升的触发作用非常关键。10 日14 时沿120°E 的散度纬向垂直剖面图上（见图10a），29.5°N 附近低层900 hPa 有一个辐合中心，中心值达-18×10-5/S；800 hPa以上都是辐散区，辐散中心位于700 hPa，中心值为9×10-5/S，说明此次辐合主要出现在边界层内。同一时刻涡度和垂直速度的纬向剖面图上（见图11b），29.5°～30°N 上空为正涡度区，中心值为40×10-5/S，且对应整层都是上升运动区，大中心值-3.5×10-3hPa/s 位于850 hPa。由此可见从物理量诊断来看，浙江中部仍有较好的降水环流背景条件。

由于高空西北气流与东北-西南走向的金华北山近乎垂直，因此850 hPa 以下的低层西北急流受到北山山体阻挡。地形的动力抬升作用在边界层造成强烈的辐合上升运动，将水汽向高空输送，水汽遇冷后凝结成云致雨，从而产生强降水。19 日下午北山站雨强都在20 mm/h 以上，说明有中尺度系统活动，即山体的抬升作用触发了不稳定能量的释放并激发了中尺度雨团的形成，不断生成的中尺度雨团导致累积降水量大；同时地形的阻挡作用使系统移动减慢、降水持续时间变长、降水总量更大。从金华雷达速度图上看，10 日下午入流大于出流，存在速度辐合，有利于降水回波的维持和加强；20时以后出流大于入流，转为辐散，回波减弱，降水趋于结束。